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采掘工作面沖擊地壓防治

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(龍煤集團(tuán)鶴崗分公司峻德煤礦，黑龍江 鶴崗 154102)

為了能夠更好地防治沖擊地壓，通過分析現(xiàn)有防治沖擊地壓的技術(shù)方法，提出了集束卸壓孔防治沖擊地壓的方法。在巷道周圍或工作面頂?shù)装甯浇?，打集束卸壓孔，大量取出巖煤，在垂直鉆孔的圍巖斷面上形成一個(gè)呈多孔狀的弱面，在空間中形成一系列空巖管覆蓋或圍繞在一定距離的巷道周圍或工作面頂?shù)装逯?。?dāng)集中應(yīng)力作用于巷道圍巖時(shí)，首先破壞該弱面結(jié)構(gòu)消耗能量，破壞后的該弱面會(huì)中斷或減弱應(yīng)力傳遞，并導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)向兩側(cè)深部巖體轉(zhuǎn)移(采空區(qū)或較安全位置)，保護(hù)巷道不產(chǎn)生或減少兩幫擠進(jìn)和底鼓。當(dāng)發(fā)生地壓沖擊時(shí)，集中應(yīng)力主要作用于兩側(cè)深部煤巖體，從而保護(hù)采掘巷道和局部工作面，確保人員設(shè)備安全與生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行。

集束卸壓孔;弱面結(jié)構(gòu);應(yīng)力傳遞;消耗能量;保護(hù)巷道;沖擊地壓

目前，采煤工作面發(fā)生沖擊地壓的部位，一般都是在上超前和工作面上部，掘進(jìn)工作面主要是在工作面后部一定范圍內(nèi)，防治沖擊地壓的方法，主要是采取對(duì)抗法或卸壓法。對(duì)抗法因?yàn)椴牧系纫蛩氐木窒?，較難達(dá)到目的。卸壓法雖能起到卸壓作用，但不能真正消除沖擊地壓危險(xiǎn)。為了能夠更好地防治沖擊地壓，通過分析現(xiàn)有防治沖擊地壓的技術(shù)方法，提出了集束卸壓孔防治沖擊地壓的方法。

1 解決沖擊地壓方法的對(duì)比

現(xiàn)有的解決沖擊地壓方法中的對(duì)抗法，就是給棚加固法，增強(qiáng)巷道支護(hù)，包括架棚噴砼打錨索，以阻擋圍巖的沖擊。由于來自應(yīng)力集中地段的圍巖壓力能量巨大，當(dāng)?shù)貕簺_擊沒來時(shí)，還可以維護(hù)巷道的完好;一旦面對(duì)強(qiáng)烈的地壓沖擊，這種對(duì)抗式支護(hù)幾乎不起作用。而注水軟化法和爆破預(yù)裂法，屬于破壞巖體結(jié)構(gòu)的一種卸壓法，雖不屬于對(duì)抗法，但效果不太好，這是因?yàn)樽⑺ú坏珱]有減少壓力集中區(qū)物質(zhì)量，又注水使巖石產(chǎn)生膨脹附加應(yīng)力而增強(qiáng)壓力集中區(qū)的應(yīng)力。爆破預(yù)裂法雖然能破壞巖石的單向結(jié)構(gòu)，但取巖量不夠，預(yù)裂的巖石因?yàn)樗槊?，可使傳遞應(yīng)力的能力進(jìn)一步增強(qiáng)，并又附加了一個(gè)碎脹應(yīng)力，所以目前的注水軟化法和爆破預(yù)裂法，不但沒能有效地減小高壓區(qū)的壓力或阻斷壓力傳遞，相反卻增強(qiáng)了沖擊地壓發(fā)生的可能性與強(qiáng)度。

因此，借鑒注水軟化法和爆破預(yù)裂法，要消除沖擊地壓，應(yīng)當(dāng)從巨幅減壓和阻斷應(yīng)力傳遞著手。在應(yīng)力集中區(qū)，由于應(yīng)力集中作用，局部高壓物質(zhì)環(huán)境已經(jīng)形成，減壓和阻斷只能被動(dòng)進(jìn)行，基本的原則要求應(yīng)有效地、大量地將高壓地段或?qū)?huì)形成應(yīng)力集中、發(fā)生沖擊地壓處的巖煤取出，使集中的應(yīng)力產(chǎn)生重新分配，以達(dá)到減壓和阻斷壓力傳遞的目的，從而消除開采時(shí)在工作面產(chǎn)生的地壓沖擊。

2 采掘工作面沖擊地壓的防治

2.1 掘進(jìn)工作面沖擊地壓的防治方法

對(duì)于掘進(jìn)工作面，可經(jīng)過卸壓鉆場(chǎng)，向巷道周圍一定范圍內(nèi)打足夠量的鉆孔，形成集束鉆孔，將巷道周圍的巖石，留下維護(hù)巷道結(jié)構(gòu)，將其他巖石全部取出，以形成能夠被集中應(yīng)力破壞的結(jié)構(gòu)弱面，破壞的結(jié)構(gòu)弱面不能傳遞或不能有效地傳遞應(yīng)力，從而阻斷應(yīng)力傳遞和消除采場(chǎng)內(nèi)高應(yīng)力區(qū)，防止產(chǎn)生沖擊地壓。對(duì)于采煤工作面，在外部前方一定距離施工卸壓鉆場(chǎng)，經(jīng)卸壓鉆場(chǎng)向(將)需要消除高壓和阻斷頂板壓力傳遞處打集束鉆孔，按量取巖形成結(jié)構(gòu)弱面，并且可再對(duì)集束鉆孔選孔裝藥進(jìn)行結(jié)構(gòu)破壞，因破碎的巖石無法充滿取巖區(qū)域傳遞應(yīng)力，從而達(dá)到卸壓目的。

對(duì)于結(jié)構(gòu)弱面與工作面或巷道之間的預(yù)留巖體，其厚度要進(jìn)行限制，當(dāng)它又處于巷道、工作面或集束鉆孔弱面結(jié)構(gòu)的圍巖松動(dòng)圈內(nèi)，則不能有效傳遞集中應(yīng)力，在采動(dòng)集中應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生向弱面結(jié)構(gòu)內(nèi)的相對(duì)移動(dòng)。這樣，預(yù)留巖體就不會(huì)對(duì)工作面或巷道形成破壞。

由于該方法是在巷道或工作面的一定區(qū)域，在圍巖取出位置人為形成一個(gè)弱面空間，當(dāng)該位置進(jìn)入應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)，集中的應(yīng)力超過該弱面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，該空巖管的圍巖會(huì)壓碎填充空巖管，對(duì)應(yīng)于取巖量的多少，減少或不發(fā)生底鼓、幫鼓?？諑r管初次破壞后，即弱化或阻斷該處應(yīng)力傳遞，應(yīng)力會(huì)發(fā)生重新分配，峰值部分會(huì)向深部或遠(yuǎn)離巷道處轉(zhuǎn)移，遠(yuǎn)離需要保護(hù)的巷道或局部工作面。當(dāng)發(fā)生地壓沖擊時(shí)，主要作用于破壞的集束巖管保護(hù)范圍以外區(qū)域，由于該弱面空間只受到較小的應(yīng)力作用，并進(jìn)一步產(chǎn)生破壞，消耗沖擊能量，剩余的沖擊能量則不足以破壞巷道或局部工作面或巖管之間預(yù)留的圍巖，從而保護(hù)巷道不受沖擊或減弱沖擊破壞作用，確保巷道內(nèi)的人員和設(shè)備安全，使生產(chǎn)得以連續(xù)進(jìn)行。

集束卸壓鉆孔完工后，應(yīng)通過微震儀反應(yīng)，觀察集中應(yīng)力區(qū)的巖爆變化，如卸壓作用不夠明顯，說明剩余孔邊巖柱的強(qiáng)度還大于集中應(yīng)力的破壞作用，有必要對(duì)卸壓鉆孔裝藥爆破，以便在巖體弱面內(nèi)形成較好的阻斷效果。

2.2 采煤工作面沖擊地壓的防治方法

對(duì)于采煤工作面，施工集束卸壓鉆孔后，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域從風(fēng)巷附近向下部工作面和深部煤巖體轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，深部煤巖體在集中應(yīng)力作用下，可能會(huì)出現(xiàn)巖爆，但不會(huì)影響到外部工作面。離開風(fēng)巷的下部工作面，近硬幫處發(fā)生巖爆，對(duì)工作面可能還有一定影響，比如風(fēng)巷處發(fā)生沖擊地壓，因?yàn)橛幸簤褐Ъ苤危瑒t可以保護(hù)人員的安全。對(duì)于掘進(jìn)工作面，兩幫頂板施工集束鉆孔卸壓后，使兩幫的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到深部巖體，從而弱化對(duì)底板巖體的側(cè)向應(yīng)力作用，達(dá)到使底板巖體不發(fā)生應(yīng)力蠕變底鼓或沖擊底鼓的目的。

采用集束孔卸壓，首先在需要卸壓的巷道外部70～100 m施工頂板鉆場(chǎng)或底板鉆場(chǎng)。鉆場(chǎng)要求布置在煤層頂?shù)装寤騼蓭鸵欢ǖ木嚯x內(nèi)，可以選擇距頂?shù)装?～12 m范圍內(nèi)。集束孔基本平行巷道或煤層頂?shù)装迨┕?，孔徑可選擇0.2～0.5 m。布置鉆孔的鉆場(chǎng)，應(yīng)布置在2～3 m厚和寬度為19 m范圍內(nèi)，覆蓋上幫頂板5 m、巷道頂板4 m和下幫工作面頂板10 m，如局部比如上幫已卸壓，則需要覆蓋的范圍可以減小。

打這種取巖卸壓孔，需要保證在垂直鉆孔的橫斷面上，達(dá)到一定的取巖量。參照回采冒落巖石膨脹系數(shù)，一般為 1.2 ～1.3，提示取巖量應(yīng)當(dāng)達(dá)到 0.2 ～0.3。如果采用直徑200 mm鉆孔，達(dá)到單位斷面上0.2的巖石取出量，則相鄰孔邊距為200 mm。如果在19 m×2 m范圍內(nèi)，則需要237個(gè)鉆孔。這相當(dāng)于在垂直風(fēng)巷斷面工作面頂?shù)装鍑鷰r中，取出了3.8 m×2 m斷面的巖量，足以減小風(fēng)巷上下幫和頂?shù)装逑蛳锏纼?nèi)的膨脹或沖擊。如采用0.3 m孔徑，孔邊距0.3 m，單位斷面上也為0.2取巖量，效果與上述相同，只需要約106個(gè)孔。為保證鉆機(jī)鉆進(jìn)中途不出現(xiàn)交叉，可以先打100 mm細(xì)孔，然后擴(kuò)孔達(dá)到所需單位斷面取巖量。每孔長(zhǎng)70 m，打106個(gè)鉆孔，每孔施工時(shí)間2個(gè)小班(二次成孔，先打一較小直徑的鉆孔，再進(jìn)行擴(kuò)孔達(dá)到要求直徑)，需要71天。3臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)施工則約需要24天。以上為參照回采冒落巖石碎脹系數(shù)為1.2時(shí)，確定的單位斷面的取巖鉆孔直徑和數(shù)量。由于巷道的圍巖并沒有沿重力線發(fā)生明顯的冒落，只是破碎后基本處于原位附近，碎脹系數(shù)應(yīng)小于0.2，所以單從阻斷應(yīng)力傳遞方面，鉆孔直徑可能可以選小一些，鉆孔間距還可以選大些，實(shí)際施工時(shí)有利于避免鉆孔交叉現(xiàn)象。如考慮巷道圍巖擠入問題，孔徑相對(duì)于孔邊距應(yīng)選大些。這些數(shù)值問題，可在實(shí)際工作中根據(jù)效果加以調(diào)整。實(shí)際施工中可能還會(huì)因?yàn)榱严秾?dǎo)通，出現(xiàn)鄰孔返水情況，可以封閉已施工返水鉆孔解決。還可能在應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)塌孔卡鉆現(xiàn)象，需要在鉆頭后部圓周安裝合金牙，以便解決如鉆頭進(jìn)入應(yīng)力集中區(qū)時(shí)出現(xiàn)的塌孔現(xiàn)象。

卸壓鉆孔裝藥爆破，需要特制形狀的火藥，火藥直徑和鉆孔直徑應(yīng)匹配;每隔一定距離需要一個(gè)起爆雷管，雷管腳線長(zhǎng)度，從10～70 m，應(yīng)該有依次相差2～3 m的不同規(guī)格。

在施工鉆孔取巖時(shí)，在單位斷面或容積內(nèi)取巖量需要達(dá)到一定值，必須近距離平行施工鉆孔。這有一定的難度，需要操作熟練的鉆機(jī)工，依靠長(zhǎng)期打鉆過程中積累的經(jīng)驗(yàn)(采取準(zhǔn)確固定鉆機(jī)、擴(kuò)孔法等)及性能良好的鉆機(jī)，確保平行鉆孔能夠按參數(shù)施工，防范可能出現(xiàn)的卡鉆問題，確保取巖工作能夠順利進(jìn)行。

Prevention and Control on Rock Burst in Mining Face

Quan Chao

In order to better control the impact of rock burst，through analysing the technology method of existing prevention and control of the rock burst，puts forward the prevention and control of the rock burst of cluster pressure relief hole.In the roadway surrounding or working face roof and floor nearby，drilling cluster pressure relief hole，take out a large rock coal，in a vertical borehole surrounding rock section is formed on a porous weak surface，in the space formed a series of empty rock pipe cover or surround around some distance roadway or in the roof and floor of the working face.When happen the rock burst，concentrated stress mainly act on the bilateral deep coal and rock mass，thereby protect the tunnel and the local working face，ensure safety of staff and equipment，continuous production.

Cluster pressure relief hole;Weak structure;Stress transfer;Energy consumption;Protection tunnel;Rock burst

TD324

A

1672－0652(2012)01－0025－03

2011－12－19

全 超(1985—)，男，黑龍江鶴崗人，2008年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院，助理工程師，主要從事煤礦井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)工作(E －mail)jdmkftb@163.com